Соборная Троицкая церковь была построена за два строительных сезона в 1675-1676 годах, и в 1678 году её освятили. В тоже время, в 1683-1684 годах, подрядчиком из Нерехты Саввой Кирилловым «с товарищи» велось строительство в монастыре шатровой колокольни с «с местом для часовых гирь». Среди «товарищей» названы «нерехтчанин посадцкий человек Никита Петров сын Верин», который взял «по подрядной своей записи за кирпишное дело» у монастырского казначея 2 рубля, и крестьянин Шаховской волости Ярославского уезда деревни Чешково Фома Андреев. За более чем трёхвековое существование церковь претерпела изменения. При рытье фундаментных рвов церкви Троицы были обнаружены мощи основателя монастыря преподобного Пахомия, в связи с чем у южного фасада был заложен в его честь придел. Как выглядел придел преподобного Пахомия сейчас неизвестно.
В 1830-1834 годах по проекту Петра Ивановича Фурсова, 1798 — конец 1840-х годов, церковь расширяют. С запада пристраивают обширную трапезную, которая объединяет Троицкую церковь с колокольней. По этому же проекту в одном стиле с трапезной полностью перестраивается придел, расширяются окна в четверике. В настоящем виде церковь Троицы представляет собой бесстолпный, пятиглавый, трёхапсидный храм с четырёхскатным покрытием. Четверик перекрыт сомкнутым сводом с круглым отверствием в центре для светового центрального барабана. Двухстолпная трапеза перекрыта коробовыми сводами сводами с распалубками. Придел преподобного Пахомия имеет плоское перекрытие. Примыкающие с запада к трапезной колокольня сдвинута к югу с продольной оси сооружения. Западный портал растёсан, а северный арочный, выходящий на первоначальное крыльцо, сохранил своё убранство в виде полуколонок с тёсаными кирпичными дыниками. Фасады расчленены лопатками на прясла. Восточный фасад оформленна всю высоту, а на остальных они «разорваны» оконными проёмами с традиционными для второй половины XVII века наличниками, оформленными колонками и трёхчастным завершением. По верху четверика выложены карнизный пояс и красивого рисунка килевидные кокошники. Под ними на фасадах выложены в стене глубокие ниши «голубцы» с сюжетной росписью. Мотив мелких килевидных кокошников повторён и в основании свободно расставленных по своду барабанов пятиглавия с чешуйчатым железным покрытием.
